WO2010060802A2 - Verfahren zum erstarren einer nichtmetall-schmelze - Google Patents

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WO2010060802A2
WO2010060802A2 PCT/EP2009/065063 EP2009065063W WO2010060802A2 WO 2010060802 A2 WO2010060802 A2 WO 2010060802A2 EP 2009065063 W EP2009065063 W EP 2009065063W WO 2010060802 A2 WO2010060802 A2 WO 2010060802A2
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Uwe Sahr
Wolfram Miller
Peter Rudolph
Uwe Rehse
Natascha Dropka
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Schott Solar Ag
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    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C30—CRYSTAL GROWTH
    • C30B—SINGLE-CRYSTAL GROWTH; UNIDIRECTIONAL SOLIDIFICATION OF EUTECTIC MATERIAL OR UNIDIRECTIONAL DEMIXING OF EUTECTOID MATERIAL; REFINING BY ZONE-MELTING OF MATERIAL; PRODUCTION OF A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; SINGLE CRYSTALS OR HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; AFTER-TREATMENT OF SINGLE CRYSTALS OR A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; APPARATUS THEREFOR
    • C30B15/00—Single-crystal growth by pulling from a melt, e.g. Czochralski method
    • C30B15/30—Mechanisms for rotating or moving either the melt or the crystal
    • C30B15/305—Stirring of the melt
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C30—CRYSTAL GROWTH
    • C30B—SINGLE-CRYSTAL GROWTH; UNIDIRECTIONAL SOLIDIFICATION OF EUTECTIC MATERIAL OR UNIDIRECTIONAL DEMIXING OF EUTECTOID MATERIAL; REFINING BY ZONE-MELTING OF MATERIAL; PRODUCTION OF A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; SINGLE CRYSTALS OR HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; AFTER-TREATMENT OF SINGLE CRYSTALS OR A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; APPARATUS THEREFOR
    • C30B11/00—Single-crystal growth by normal freezing or freezing under temperature gradient, e.g. Bridgman-Stockbarger method
    • C30B11/007—Mechanisms for moving either the charge or the heater

Definitions

  • the invention relates to a method according to the preamble of the independent claim.
  • the invention relates to a method for directional solidification of a silicon melt.
  • the starting material is melted in granular form in a quartz glass crucible, and then solidified directionally applying a vertical temperature gradient.
  • the blocks thus obtained, so-called ingots, are sawn into thin silicon wafers, which can be processed into solar cells in further process steps.
  • the crucible is usually coated with a layer of Si 3 N 4 (see, for example, article "Transition metals in photovoltaic-grade ingot-cast multicrystalline silicon: assessing the role of impurities in silicon nitride crucible lining material" by T.
  • Rotary fields in azimuthal direction represent.
  • the local arrangement is in the form of a stator winding, as of
  • a crystal growing system is described with a heater, which also represents an inductor for generating a traveling magnetic field.
  • the inductor is connected to a power source for three-phase current and thus generates a traveling magnetic field with only one frequency.
  • the patent application DE 101 02 126 A1 describes a process for producing crystals by melt-drawing using a traveling magnetic field of a frequency.
  • the patent application DE 10 2007 020 239 A1 describes an apparatus for the production of crystals from electrically conductive melts which contains a multi-coil arrangement as a heating device.
  • the multi-coil arrangement is operated only with alternating currents of one frequency.
  • the object of the invention is therefore to overcome the above-mentioned disadvantages in an advantageous manner.
  • a method of the type mentioned is to be improved so that the flow distribution and the solidification of a non-metal melt can be performed controlled.
  • a method for solidifying a non-metal melt in which by means of a plurality of inductors magnetic fields are generated, wherein the inductors are supplied with a first set of phase-shifted and a first frequency having alternating currents, so that by superposition of magnetic fields, a first Wanderfeld is generated in the melt, and supplied with at least a second set of phase-shifted and a second frequency alternating currents, wherein by superposing the magnetic fields generated at the second frequency, a second traveling field is generated in the melt, which is directed opposite to the first traveling field , and wherein the at least two generated traveling fields in opposite directions preferably pass through the melt in the vertical direction.
  • a plurality of inductors for generating superimposed magnetic fields can be provided, wherein the inductors are supplied with at least two sets of phase-shifted alternating currents having different frequencies to produce a first traveling field and at least one second traveling field in the melt first traveling field is opposite, wherein the inductors are carried out on the crucible in a vertically extending arrangement, so that the traveling waves generated run through the melt in the opposite direction in the vertical direction and the radial field components cancel each other.
  • two opposite traveling fields form in the vertical direction, which leads to a Lorentz force density prevailing in the edge region, which leads to a lower speed than in the volume range of the melt.
  • a sufficient distance to the inner wall of the crucible can be defined, at which the maximum Lorentz force density prevails.
  • more than two traveling fields superposed in the vertical direction can also be generated.
  • the inducers are e.g. as coils, that is, as in the horizontal direction rotating windings, formed, wherein the windings in the vertical direction can be arranged separately one above the other or even in the vertical direction nested.
  • both the crucible and the turns and the coil inner region or diameter may have a rectangular cross-section.
  • the inductors can also be supplied with a heating current consisting of alternating current and direct current portions for heating the melt.
  • a heating current consisting of alternating current and direct current portions for heating the melt.
  • the heating current has an AC component of at least a predetermined percentage, in particular of at least 10%.
  • the first frequency and the second frequency differ from each other at most by a predefinable factor, in particular by a factor of 2-40.
  • the ratio of the frequencies or the factor can be adjusted depending on the process, for example, depending on the degree of crystallization.
  • the first and / or second set of phase-shifted alternating currents can represent a plurality of mutually non-equidistant phase-shifted alternating currents.
  • the invention is particularly suitable for use in a melting furnace or boiler for silicon melts.
  • the crucible can be coated with a protective layer on the inner wall, in particular a layer of Si 3 N 4 , and be formed as a quartz glass crucible.
  • preferred parameters can be set so that the first frequency and the second frequency as well as a first penetration depth and a second penetration depth for the respectively generated magnetic fields fulfill the following equation:
  • the penetration depth ED is the distance D from the edge of the crucible, at which the Lorentz force density FD has fallen to 1 / e * FD.
  • Figure 1 shows schematically the construction of a device suitable for carrying out the method according to the invention for solidifying a non-molten metal
  • FIG. 2 is a functional diagram with the course of
  • FIG. 1 shows a schematic representation of a device 100 for solidifying a non-molten metal 130 which is located in a crucible 120.
  • the melt is, for example, a silicon melt and the crucible 120 represents a, here for example rectangular, quartz glass crucible.
  • a plurality of inductors 110 are arranged around the crucible 120 in order to induce magnetic fields in the melt 130 by supplying alternating currents, so that at least two superimposed traveling fields Wl and W2 move opposite to each other in the vertical direction Y.
  • inductors 110a to 11Od are arranged one above the other in the vertical direction Y and are supplied with a first set of phase-shifted alternating currents IIa-Hd and with a second set of phase-shifted alternating currents I2a-I2d.
  • the first set of phase-shifted AC currents is fed at a first frequency f.sub.f, for example 200 Hz.
  • the second set of phase-shifted AC currents is fed in at a second frequency f2, which is 20 Hz, for example.
  • a superimposition of the alternating fields W1 and W2 thus produced results in a corresponding superimposition of Lorentz force densities FD1 to FD2 to a resulting Lorentz force density FD *.
  • FIG. 3 shows the course of the resulting Lorentz force density FD * with parameters set differently.
  • the upper curve FD * ' shows the course of the Lorentz force density when the first frequency fl is selected to be 20 Hz and the corresponding traveling field Wl extends from bottom to top and when the second frequency f2 is selected to 400 Hz, the corresponding traveling field W2 extends from top to bottom.
  • the second curve FD * '' results when fl equals 20 Hz and Wl runs from bottom to top, and when f2 equals 200 Hz and W2 runs from top to bottom.
  • the maximum of the Lorentz force density shifts into the interior of the melt, ie, D> 0.
  • the course of the Lorentz force density and the resulting flow velocity or influencing the convection can be optimally adjusted in particular by the parameterization of the frequencies from propagation directions, phase shifts, amplitudes and geometries of the inductors.
  • the inductors with relatively high currents of, for example, 200 A must be fed which causes heating of the inductors due to ohmic losses.
  • the inductors are used simultaneously as heating elements for the controlled heating of the melt. It is advantageous if, in addition to the alternating currents, which generate the traveling fields, also a heating current is fed, which has only direct current.
  • the ratio of alternating current components to direct current components can be set according to the process.
  • FDl or FD2 means the amount of Lorentz force at the crucible wall and EDl or ED2 the penetration depth of the magnetic field.
  • D * represents the minimum distance from the wall.
  • the phase shift between the individual windings is not equidistant.
  • the vertical arrangement of the inductors essentially represents a partial section of a vertically extending linear mode, which can be energized in sections with different phase-shifted currents.
  • the data of FD1 and FD2 are relative figures referring to a reference value of XN / m3. That with the silicon produced and the resulting solar cells show a significantly higher efficiency than conventional solar cells.
  • the ingot is easier to dissolve from the quartz glass crucible. There are significantly fewer splices of the ingot on the quartz glass crucible than is conventionally the case.
  • the melt is significantly less contaminated with components from the crucible material or the coating. The ingot therefore contains less precipitation of foreign phases.
  • the resulting Lorentz force density increases from the edge of the melt to a maximum which is located at a distance D * from the edge region.
  • the course of the Lorentz force density and the position of the maximum can be set in particular by selecting the ratio between the first frequency fl and the second frequency f2.
  • the arrangement according to the invention is also suitable for use with rectangular or square crucibles.
  • the windings can in this case also extend rectangularly on the edge of the crucible, without this adversely affecting the mode of operation of the magnetic field generation.
  • the arrangement of the inductors in the vertical direction can also be designed nested inside each other. Preferably, a set of inductors is used, which is energized with both frequencies.
  • a separate set of inductors may be provided for each frequency.
  • the inductors can also be used as a heater.
  • a direct current is fed, wherein the AC component with fl and / or f2 is at least 10%.
  • quartz glass crucible with inner coating 130 melt here silicon melt

Abstract

Vorgeschlagen wird ein Verfahren zum Erstarren einer Nichtmetall-Schmelze (130), die sich in einem in der Vorrichtung (100) angeordnetem Tiegel (120) befindet, wobei die Vorrichtung (100) eine Vielzahl von Induktoren (100) zur Erzeugung von magnetischen Feldern aufweist. Durch Einspeisen eines ersten Satzes phasenverschobener und eine erste Frequenz (f1) aufweisender Wechselströme (I1a, I2b, I3c, I4d) wird ein erstes Wanderfeld (W1) in der Schmelze (130) erzeugt. Durch Einspeisen mindestens eines zweiten Satzes phasenverschobener und eine zweite Frequenz (f2) aufweisender Wechselströme (I2a, I2b, I3c, I4d) wird ein zweites Wanderfeld (W2) in der Schmelze (130) erzeugt, das dem ersten Wanderfeld (W1) entgegen gerichtet ist, wobei die Induktoren (100) an dem Tiegel (120) in einer sich vertikal erstreckenden Anordnung angeordnet sind, so dass die erzeugten Wechselfelder (W1, W2) die Schmelze (130) in vertikaler Richtung (Y) durchlaufen und an der Tiegel- bzw. Gefäßwand ein Strömungs-Kraft-Minimum aufweisen.

Description

Verfahren zum Erstarren einer Nichtmetall-Schmelze
Die Erfindung betrifft ein Verfahren nach dem Oberbegriff des nebengeordneten Anspruchs. Insbesondere betrifft die Erfindung ein Verfahren zum gerichteten Erstarren einer Silizium-Schmelze .
In der Solarindustrie ist es üblich, Siliziumkristalle zur Herstellung von Solarzellen durch gerichtete Erstarrung herzustellen. Dazu wird das Ausgangsmaterial in granulärer Form in einem Quarzglastiegel geschmolzen, um dann unter Aufbringung eines vertikalen Temperaturgradienten gerichtet zu erstarren. Die so erhaltenen Blöcke, sog. Ingots, werden zu dünnen Siliziumscheiben zersägt, die in weiteren Verfahrenschritten zu Solarzellen verarbeitet werden können. Der Schmelztiegel ist üblicherweise mit einer Schicht aus Si3N4 überzogen (siehe z.B. Artikel „Transition metals in photovoltaic-grade ingot-cast multicrystalline Silicon : Assessing the role of impurities in Silicon nitride crucible lining material" von T. Buonassis et al, veröffentlicht im Journal of Crystal Growth, 287 (2006), Seiten 402-407) die die Wandung des Tiegels gegen die aggressive Silizium- Schmelze schützt und auch das Herauslösen des Ingots aus dem Tiegel nach dem Abkühlen erleichtert. Die in der Schmelze vorherrschende konvektive Strömung wird im wesentlichen durch das Temperaturfeld bestimmt. Jedoch bestehen Möglichkeiten zur Beeinflussung der Strömungen insbesondere durch Anwendung von stationären oder instationären Magnetfeldern. Es ist an sich bekannt, ein Wandermagnetfeld zu erzeugen, welches die Möglichkeit bietet, mit relativ schwachen Feldstärken einen starken Einfluß auf die Strömungen in der Schmelze zu nehmen. Eine Übersicht zur Anwendung von statischen und nichtstatischen Magnetfeldern in der Kristallzüchtung ist in dem Artikel „Travelling magnetic fields applied to bulk crystal growth from the melt: The step from basic research to industrial scaleNX von P. Rudolph, veröffentlicht im Journal of Crystal Growth, 310 (2008), Seiten 1298-1306.
Aus der Patentanmeldung DE 35 27 387 Al ist ein Verfahren zum elektromagnetischen Rühren metallischer Schmelzen bekannt, bei dem an dem Schmelztiegel befindliche Induktoren mit
Drehströmen verschiedener Frequenzen gespeist werden, um magnetische Felder zu erzeugen, die sich als überlagernde
Drehfelder in azimutaler Richtung darstellen. Die dortige Anordnung ist in Form einer Statorwicklung, wie sie vom
Drehstrom-Motor her bekannt ist, vorgesehen, um in der horizontalen Ebene rotierende Drehfelder auszuprägen. Diese
Maßnahmen eignen sich zwar für das elektromagnetische Rühren magnetischer Schmelzen, sie sind jedoch für ein Erstarren von Nichtmetall-Schmelzen, das insbesondere in vertikaler
Richtung erfolgen soll, eher ungeeignet. Aus der Patentanmeldung DE 10 2006 020 234 Al ist eine Vorrichtung in Gestalt eines Ofens sowie ein Verfahren zum Erstarren einer Nichtmetall-Schmelze bekannt. Dort wird ein Wanderfeld mit drei Leitungsschleifen erzeugt, die mit phasenverschobenen Drehströmen gespeist werden. Die Leitungsschleifen bzw. Induktoren sind so angeordnet, dass sie im wesentlichen ein vertikal verlaufendes Wanderfeld erzeugen. Jedoch bildet ein so erzeugtes Wanderfeld, insbesondere am Randbereich des Schmelztiegels, eine starke Lorentzkraftdichte aus. Dies hat eine hohe Geschwindigkeit der Schmelze am Tiegelrand zur Folge, die sich wiederum nachteilig, insbesondere erodierend, auf die Innen- beschichtung des Schmelztiegels auswirkt.
In der Patentanmeldung DE 103 49 339 Al wird eine Kristallzüchtungsanlage mit einem Heizer beschrieben, der gleichzeitig einen Induktor zur Erzeugung eines Wandermagnetfeldes darstellt. Dabei wird der Induktor an eine Stromquelle für dreiphasigen Drehstrom angeschlossen und so ein Wandermagnetfeld mit nur einer Frequenz erzeugt.
In der Patentanmeldung DE 101 02 126 Al ist ein Verfahren zur Herstellung von Kristallen durch Ziehen aus der Schmelze unter Verwendung eines Wandermagnetfeldes einer Frequenz beschrieben.
In der Patentanmeldung DE 10 2007 020 239 Al wird eine Vorrichtung zur Herstellung von Kristallen aus elektrisch leitenden Schmelzen beschrieben, die eine Mehrspulenanordnung als Heizeinrichtung enthält. Die Mehrspulenanordnung wird jedoch nur mit Wechselströmen einer Frequenz betrieben. Aufgabe der Erfindung ist es demnach, die oben genannten Nachteile in vorteilhafter Weise zu überwinden. Insbesondere soll ein Verfahren der eingangs genannten Art derart verbessert werden, dass die Strömungsverteilung und das Erstarren einer Nichtmetall-Schmelze kontrolliert durchgeführt werden können.
Gelöst wird die Aufgabe durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1.
Demnach wird ein Verfahren zum Erstarren einer Nichtmetall- Schmelze vorgeschlagen, bei dem mittels einer Vielzahl von Induktoren magnetische Felder erzeugt werden, wobei die Induktoren mit einem ersten Satz phasenverschobener und eine erste Frequenz aufweisender Wechselströme versorgt werden, so dass durch Überlagerung von magnetischen Feldern ein erstes Wanderfeld in der Schmelze erzeugt wird, und mit mindestens einem zweiten Satz phasenverschobener und eine zweite Frequenz aufweisender Wechselströme versorgt werden, wobei durch Überlagerung der mit der zweiten Frequenz erzeugten magnetischen Felder ein zweites Wanderfeld in der Schmelze erzeugt wird, das dem ersten Wanderfeld entgegen gerichtet ist, und wobei die mindestens zwei erzeugten Wanderfelder gegensinnig die Schmelze vorzugsweise in vertikaler Richtung durchlaufen.
Dazu kann eine Vielzahl von Induktoren zur Erzeugung von sich überlagernden magnetischen Feldern vorgesehen werden, wobei die Induktoren mit mindestens zwei Sätzen phasenverschobener Wechselströme versorgt werden, die verschiedene Frequenzen aufweisen, um ein erstes Wanderfeld und mindestens ein zweites Wanderfeld in der Schmelze zu erzeugen, das dem ersten Wanderfeld entgegengerichtet ist, wobei die Induktoren an dem Tiegel in einer sich vertikal erstreckenden Anordnung ausgeführt sind, so dass die erzeugten Wanderfelder die Schmelze gegensinnig in vertikaler Richtung durchlaufen und die radialen Feldanteile sich gegenseitig aufheben.
Durch diese Merkmalskombination bilden sich zwei entgegengesetzte Wanderfelder in vertikaler Richtung aus, was dazu führt, dass im Randbereich eine Lorentzkraftdichte vorherrscht, die zu einer geringeren Geschwindigkeit als im Volumenbereich der Schmelze führt. Durch Einstellung der Parameter, insbesondere durch Wahl des Verhältnisses beider Frequenzen, kann ein ausreichender Abstand zur Innenwand des Schmelztiegels definiert werden, an dem die maximale Lorentzkraftdichte vorherrscht. Nach diesem Prinzip können auch mehr als zwei sich in vertikaler Richtung überlagernder Wanderfelder erzeugt werden.
Vorzugsweise sind die Induktoren z.B. als Spulen, also als in horizontaler Richtung umlaufende Wicklungen, ausgebildet, wobei die Wicklungen in vertikaler Richtung separat übereinander oder auch in vertikaler Richtung ineinander verschachtelt angeordnet sein können. In diesem Zusammenhang können sowohl der Tiegel wie auch die Windungen und der Spuleninnenbereich bzw. -durchmesser einen rechteckförmigen Querschnitt aufweisen.
Vorzugsweise können die Induktoren auch mit einem aus Wechselstrom- und Gleichstromanteilen bestehenden Heizstrom zum Heizen der Schmelze versorgt werden. In diesem Zusammenhang ist es für die effektive Erzeugung der Wanderfelder notwenig, dass der Heizstrom einen Wechselstromanteil von mindestens einem vorgebbaren Prozentsatz, insbesondere von mindestens 10%, aufweist. Vorteilhaft ist es auch, wenn die erste Frequenz und die zweite Frequenz sich höchstens um einen vorgebbaren Faktor, insbesondere um den Faktor 2-40, voneinander unterscheiden. Das Verhältnis der Frequenzen bzw. der Faktor kann prozessabhängig, z.B. in Abhängigkeit des Kristallisationsgrades eingestellt werden.
Bevorzugt können auch der erste und/oder zweite Satz der phasenverschobenen Wechselströme mehrere zueinander nicht- äquidistant phasenverschobene Wechselströme darstellen.
Die Erfindung ist insbesondere geeignet zum Einsatz in einen Schmelzofen bzw. Kessel für Silizium-Schmelzen. In diesem Zusammenhang kann der Schmelztiegel mit einer Schutzschicht an der Innenwand, insbesondere einer Schicht aus Si3N4, überzogen und als Quarzglastiegel ausgebildet sein.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren können bevorzugte Parameter so eingestellt werden, dass die erste Frequenz und die zweite Frequenz sowie eine erste Eindringtiefe und eine zweite Eindringtiefe für die jeweils erzeugten magnetischen Felder folgende Gleichung erfüllen:
, wobei. i.st.
Figure imgf000008_0002
Figure imgf000008_0001
Die Eindringtiefe ED ist der Abstand D vom Tiegelrand, bei dem die Lorentzkraftdichte FD auf l/e*FD abgefallen ist.
Nachfolgend wird die Erfindung und die sich daraus ergebenden Vorteile im Detail anhand von Ausführungsbeispielen und unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen beschrieben, wobei : Figur 1 schematisch den Aufbau einer für die Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens geeigneten Vorrichtung zum Erstarren einer Nicht-Metallschmelze darstellt;
Figur 2 ein Funktionsdiagramm mit dem Verlauf von
Lorentzkraftdichten in Abhängigkeit vom Abstand zur Schmelztiegelwand darstellt; und
Figur 3 ein Funktionsdiagramm mit dem Verlauf von
Lorentzkraftdichten gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren darstellt.
Die Figur 1 zeigt in schematischer Darstellung eine Vorrichtung 100 zum Erstarren einer Nicht-Metallschmelze 130, die sich in einem Tiegel 120 befindet. Die Schmelze ist beispielsweise eine Silizium-Schmelze und der Tiegel 120 stellt einen, hier beispielsweise rechteckigen, Quarzglastiegel dar. Von außen sind mehrere Induktoren 110 um den Tiegel 120 angeordnet, um durch Einspeisung von Wechselströmen magnetische Felder in die Schmelze 130 zu induzieren, so dass mindestens zwei überlagernde Wanderfelder Wl und W2 sich entgegengesetzt zueinander in vertikaler Richtung Y bewegen. Beispielsweise sind vier Induktoren 110a bis 11Od in vertikaler Richtung Y übereinanderliegend angeordnet und werden mit einem ersten Satz phasenverschobener Wechselströme IIa - Hd sowie mit einem zweiten Satz phasenverschobener Wechselströme I2a - I2d gespeist. Der erste Satz phasenverschobener Wechselströme wird mit einer ersten Frequenz fl eingespeist, die beispielsweise 200 Hz beträgt. Der zweite Satz phasenverschobener Wechselströme wird mit einer zweiten Frequenz f2 eingespeist, die beispielsweise 20 Hz beträgt. Wie anhand der Figur 2 erläutert wird, ergibt sich durch Überlagerung der so erzeugten Wechselfelder Wl und W2 eine entsprechende Überlagerung von Lorentzkraftdichten FDl mit FD2 zu einer resultierenden Lorentzkraftdichte FD*. Die erste Lorentzkraftdichte FDl wird über die Einspeisung des ersten Satzes von Wechselströmen IIa - Hd erzeugt, wobei im Randbereich des Tiegels, d. h. D = 0, sich eine relativ hohe Lorentzkraftdichte einstellt. Durch Einspeisung des zweiten Satzes phasenverschobener Wechselströme I2a - I2d ergibt sich ein Verlauf der Lorentzkraftdichte FD2, der im Randbereich, d.h. D = 0, einen negativen Wert aufweist. Durch Überlagerung von FDl und FD2 ergibt sich somit ein Lorentzkraftdichte- Verlauf FD*, der im Randbereich einen abgesenkten Wert aufweist. Durch Einstellung der Parameter, insbesondere der Frequenzen fl und f2 kann erfindungsgemäß erreicht werden, dass im Randbereich die resultierenden Strömungsgeschwindigkeiten sehr gering und idealerweise zu Null wird.
Die Figur 3 zeigt den Verlauf der resultierenden Lorentzkraftdichte FD* bei verschieden eingestellten Parametern. Die obere Kurve FD*' zeigt den Verlauf der Lorentzkraftdichte, wenn die erste Frequenz fl zu 20 Hz gewählt wird und das entsprechende Wanderfeld Wl sich von unten nach oben erstreckt und wenn die zweite Frequenz f2 zu 400 Hz gewählt wird, wobei sich das entsprechende Wanderfeld W2 von oben nach unten erstreckt. Die zweite Kurve FD*'' ergibt sich, wenn fl gleich 20 Hz beträgt und Wl von unten nach oben verläuft sowie wenn f2 gleich 200 Hz ist und W2 von oben nach unten verläuft. Die dritte Kurve FD*''' ergibt sich, wenn fl gleich 200 Hz beträgt und von oben nach unten verläuft und wenn f2 gleich 400 Hz beträgt und von unten nach oben verläuft. Wie sich aus einem Vergleich der dargestellten Kurvenverläufe ergibt, ist in allen drei dargestellten Beispielen die resultierende Lorentzkraftdichte FD* im Randbereich, d.h. D = O, deutlich abgesenkt und beträgt in etwa 0 N/m3. Durch die Wahl des Verhältnisses fl zu f2 verschiebt sich das Maximum der Lorentzkraftdichte in das Innere der Schmelze hinein, d.h. D > 0. Die zweite Kurve FD*'' weist dabei eine maximale Lorentzkraftdichte im Bereich D = 0,06 auf. Bei den anderen Kurvenverläufen liegt das Maximum bei einem geringeren Abstand. Der Kurvenverlauf FD*' weist ein Maximum im Bereich von D = 0,04 auf und der Kurvenverlauf FD*''' weist ein Maximum im Bereich D = 0,025 auf. Demnach kann das Maximum der Lorentzkraftdichte besonders weit ins Innere der Schmelze hinein verschoben werden, wenn eine der beiden Frequenzen, hier fl, relativ gering ist und beispielsweise 20 Hz beträgt und wenn die andere Frequenz, hier f2 , nicht sehr viel größer ist, also z.B. nicht größer als das 40-fache von fl ist.
Durch die Wahl der Frequenzen fl und f2 kann erreicht werden, dass die Strömungsgeschwindigkeit am Tiegelrand recht klein ist und nicht größer als 0 bis 1 cm/sec. beträgt. Auch kann erreicht werden, dass die Strömungsgeschwindigkeit zum inneren der Schmelze hin, etwa im Abstand D = I cm, größer als 0,01 bis 2 cm/sec. liegt. Der Verlauf der Lorentzkraftdichte und der sich daraus ergebenden Strömungsgeschwindigkeit bzw. Beeinflussung der Konvektion kann insbesondere durch die Parametrisierung der Frequenzen aus Ausbreitungsrichtungen, Phasenverschiebungen, Amplituden und Geometrieen der Induktoren optimal eingestellt werden. Für die Erzeugung der Wanderfelder müssen die Induktoren mit relativ hohen Strömen von beispielsweise 200 A gespeist werden, wodurch wegen Ohmscher Verluste eine Erwärmung der Induktoren entsteht. Anstatt diese Wärme über Kühlmaßnahmen abzuleiten, kann es auch vorgesehen sein, dass die Induktoren gleichzeitig als Heizelemente zur kontrollierten Erhitzung der Schmelze eingesetzt werden. Hierbei ist es von Vorteil, wenn zusätzlich zu den Wechselströmen, welche die Wanderfelder erzeugen, auch noch ein Heizstrom eingespeist wird, der nur Gleichstrom aufweist. Das Verhältnis von Wechselstromanteilen zu Gleichstromanteilen kann prozess- bedingt eingestellt werden.
Zur Erzeugung der beschriebenen Funktionsverläufe der Lorentzkraftdichten (siehe Fig. 2 und 3) ist vor allem die Parametrisierung der Wechselströme IIa - Hd sowie I2a - I2d erforderlich. Dabei hat sich gezeigt, dass zur Erzeugung eines Maximums der Lorentzkraftdichte im Inneren der Schmelze folgende Bedingung erfüllt sein muss:
FD1/FD2 > ED1/ED2 und ED2>ED1.
Dabei bedeutet FDl bzw. FD2 der Betrag der Lorentzkraft an der Tiegelwand sowie EDl bzw. ED2 die Eindringtiefe des Magnetfeldes .
Der Abstand der maximal auftretenden Lorentzkraft von der Tiegelwand ergibt sich dabei aus folgender Beziehung:
D* < EDl • ED2 / (ED2 - EDl) • LN (FDl • FD2 / FD2 * EDl),
wobei D* den Mindestabstand von der Wand darstellt.
Für den Einsatz der Erfindung beim Erschmelzen und Erstarren von Solarsilizium in einem Quarzglastiegel hat es sich als besonders vorteilhaft erwiesen, wenn das Maximum des Kraftfeldes einen Abstand von etwa 0,1 cm bis 40 cm von der Tiegelwand hat, d.h. D = 0,1 bis 40 cm.
Bei der Bestromung der Induktoren bzw. Wicklungen kann auch vorgesehen sein, dass die Phasenverschiebung zwischen den einzelnen Wicklungen nicht-äquidistant ist. Denn die vertikale Anordnung der Induktoren stellt im wesentlichen einen Teilabschnitt eines sich in vertikaler Richtung erstreckenden Linearmodus dar, der abschnittsweise mit verschiedenartig phasenverschobenen Strömen bestromt werden kann .
Anhand der nachfolgenden Tabelle 1 sind für ein erstes Ausführungsbeispiel die Parameter angegeben.
Tabelle 1
Figure imgf000013_0001
Die Angaben von FDl und FD2 sind relative Angaben, die sich auf eine Bezugsgröße von X N/m3 beziehen. Das mit den angegebenen Parametern hergestellte Silizium und die daraus erzeugten Solarzellen zeigen einen deutlich höheren Wirkungsgrad als übliche Solarzellen. Außerdem läßt sich der Ingot leichter von dem Quarzglastiegel lösen. Es kommt zu deutlich weniger Klebestellen des Ingots an dem Quarzglastiegel als dies herkömmlicher Weise der Fall ist. Zusätzlich wird die Schmelze deutlich weniger mit Komponenten aus dem Tiegelmaterial oder der Beschichtung verunreinigt . Der Ingot enthält daher weniger Ausscheidungen von Fremdphasen.
Für ein weiteres Beispiel wird in der Tabelle 2 die Parametrisierung wie folgt angegeben:
Tabelle 2
Figure imgf000014_0001
Die sich hieraus ergebende Lorentzkraftdichte ist in der Figur 2 dargestellt. , , M .
151V o
Bei den erfindungsgemäß erzeugten Magnetfeldern nimmt also die resultierende Lorentzkraftdichte vom Rand der Schmelze her zu bis zu einem Maximum, das sich in einem Abstand D* von dem Randbereich befindet. Der Verlauf der Lorentzkraftdichte und die Lage des Maximums kann insbesondere durch Wahl des Verhältnisses zwischen der ersten Frequenz fl und der zweiten Frequenz f2 eingestellt werden. Die erfindungsgemäße Anordnung ist auch geeignet, um bei rechteckförmigen bzw. quadratischen Schmelztiegeln eingesetzt zu werden. Die Wicklungen können in diesem Fall ebenfalls rechteckförmig am Rande des Tiegels verlaufen, ohne dass hierdurch die Funktionsweise der Magnetfelderzeugung nachteilig beeinflusst wird. Die Anordnung der Induktoren in vertikaler Richtung kann auch verschachtelt ineinander gestaltet sein. Vorzugsweise wird ein Satz von Induktoren eingesetzt, der mit beiden Frequenzen bestromt wird. Alternativ kann auch für jede Frequenz ein eigener Satz von Induktoren vorgesehen werden. Außerdem können die Induktoren auch als Heizer eingesetzt werden. Dazu wird auch ein Gleichstrom eingespeist, wobei der Wechselstromanteil mit fl und/oder f2 mindestens 10% beträgt. Insgesamt ergibt sich eine sehr effektive Vorrichtung zum Erstarren von Nichtmetall- Schmelzen, insbesondere von Silizium-Schmelzen, wobei ein kontrolliertes vertikales Erstarren der Schmelze ermöglicht wird. Bezugszeichenliste
100 Vorrichtung (hier: Schmelzofen) zur Durchführung des Verfahrens
110 Induktoren (horizontal verlaufende Wicklungen) 110a - 10Od Wicklungen der Induktoren
120 Tiegel, Hier Quarzglastiegel mit Innenbeschichtung 130 Schmelze, hier Silizium-Schmelze
IIa- Hd erster Satz phasenverschobner Wechselströme I2a- I2d erster Satz phasenverschobner Wechselströme Wl, W2 erstes bzw. zweites Wandlerfeld (gegenfaufig)
FD Lorentzkraftdichte (in N/m3)
FDl, FD2 Lorentzkraftdichte aufgrund der einzelnen
Wechselfeider FD* resultierende Lorentzkraftdichte (durch Überlagerung) ;
FD*', FD*'', FD*''' verschiedene Verläufe D Abstand von Innenwand des Tiegels (in m) ED Eindringtiefe des Magnetfeldes

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zum Erstarren einer Nichtmetall-Schmelze (130), die sich in einem Tiegel (120) befindet, indem mittels einer Vielzahl von Induktoren (100) magnetischen Felder erzeugt werden, wobei die Induktoren (100) mit einem ersten Satz phasenverschobener und eine erste Frequenz (fl) aufweisender Wechselströme (IIa, IIb, Ilc, Ild) gespeist werden, so dass durch Überlagerung von magnetischen Feldern ein erstes Wanderfeld (Wl) in der Schmelze (130) erzeugt wird, und mit mindestens einem zweiten Satz phasenverschobener und eine zweite Frequenz (f2) aufweisender Wechselströme (I2a, I2b, I2c, I2d) versorgt werden, dadurch gekennzeichnet, dass durch Überlagerung der mit der zweiten Frequenz (f2) erzeugten magnetischen Feldern ein zweites Wanderfeld (W2) in der Schmelze (130) erzeugt wird, das dem ersten Wanderfeld (Wl) entgegen gerichtet ist, wobei die zwei erzeugten Wanderfelder (Wl, W2) die Schmelze (130) in einer im wesentlichen vertikalen Richtung (Y) durchlaufen .
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Induktoren (100) an dem Tiegel (120) in einer sich vertikal erstreckenden Anordnung angeordnet werden, so dass die zwei erzeugten Wanderfelder (Wl, W2) sich in der Schmelze (130) im wesentlichen in vertikaler Richtung (Y) bewegen.
3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass ein Satz von Induktoren (100) an dem Tiegel (120) angeordnet wird, der mit den die erste und die zweite Frequenz (fl, f2) aufweisenden Wechselströmen (IIa, Hb, Hc, Hd; I2a, I2b, I2c, I2d) gespeist wird.
4. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass zwei Sätze von Induktoren an dem Tiegel angeordnet werden, von denen der eine Satz einer mit den die erste Frequenz aufweisenden Wechselströmen gespeist wird und der andere Satz mit den die zweite Frequenz aufweisenden Wechselströmen gespeist wird.
5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mehr als zwei sich überlagernde und im wesentlichen in vertikaler Richtung bewegende Wanderfelder erzeugt werden.
6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Induktoren (100) auch mit einem aus Wechselstrom- und Gleichstomanteilen bestehenden Heizstrom (Ih) zum Heizen der Schmelze (130) versorgt werden.
7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Heizstrom (Ih) einen Wechselstromanteil von mindestens einem vorgebbaren Prozentsatz, insbesondere von mindestens 10%, aufweist.
8. Verfahren nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Wechselstromanteil die mindestens zwei Frequenzen (fl, f2 ) aufweist.
9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Frequenz (fl) und die zweite Frequenz (f2) sich höchstens um einen vorgebaren Faktor, insbesondere um einen Faktor von 2 bis 40, voneinander unterscheiden.
10. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der erste und/oder zweite Satz phasenverschobener Wechselströme mehrere zueinander nicht-äquidistant phasenverschobene Wechselströme aufweist.
11. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Frequenz (fl) und die zweite Frequenz (f2) sowie eine erste
Eindringtiefe (dl) und zweite Eindringtiefe (d2) für die jeweils durch die mit der ersten bzw. zweiten Frequenz (fl, f2 ) erzeugten magnetischen Felder folgende Gleichung erfüllen: D < ED1-ED2-« In (X) / (ED2-ED1) , wobei
X = ( FD1 ΕD2 /FD2 ΕD1 ) ist und
D einen vorgebbaren Mindestabstand zur Innenwandung des Tiegels (120) für eine von den resultierenden Wanderfeldern (Wl, W2) erzeugten Lorentzkraft angibt.
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